[發明專利]一種介質填充的金屬光柵-半導體SPP源及其制作方法

有效

• 申請號: 201710717626.8
• 申請日: 2017-08-21
• 公開（公告）號: CN107508023B
• 公開（公告）日: 2020-08-14
• 發明（設計）人: 劉文杰;金崇君
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: H01P3/08
• 分類號: H01P3/08
• 代理公司: 廣州新諾專利商標事務所有限公司 44100
• 代理人: 張玲春

本發明公開了一種介質填充的金屬光柵?半導體復合結構的SPP源及其制作方法。該介質填充的金屬光柵?半導體復合結構的SPP源其結構主要包括：第一金屬層、襯底、半導體外延層、第二金屬層、介質層。其中，第二金屬層包括金屬光柵結構，介質層填充金屬光柵。介質層起到波導作用，將傳播的SPP限制在波導層中傳播，提高光的輸出光的萃取效率，單向耦合效率以及單向比。

技術領域

本發明涉及表面等離激元器件及其制作方法。更具體地，涉及一種具有介質填充的金屬光柵-半導體結構的電注入表面等離激元器件及其制作方法。

背景技術

現代高容量信息處理技術對微型化的集成電路器件提出了更高需求，然而傳統的介質光波導器件受制于光子波動性的影響無法突破衍射極限的限制，難以進一步縮小器件尺寸。表面等離激元(Surface Plasmon Polariton，SPP)能夠把入射光局域在金屬表面亞波長的區域，為解決上述問題提供了新的思路，對于實現兼具納米電子器件的極小特征尺寸和介質光學的超高傳輸速度具有至關重要的意義。表面等離激元是由外部電磁場誘導金屬結構表面自由電子或束縛電子的集體振蕩現象，它可以突破衍射極限制約，在納米尺度下實現對光的調制以及增強光與物質的相互作用。

為了把自由空間中傳播的光波耦合到等離激元體系中，并轉化為方向可控的表面等離激元，研究者主要通過特殊設計的耦合界面來實現。然而目前報道的對SPP傳播特性調控的研究中，通常采用外置光源來實現，無法實現微型化的光電集成。為了徹底擺脫外置光源的限制，研究者們提出了將承載SPP功能的金屬結構制備于有源的半導體表面。

然而，目前研究仍處于起步階段，如何高效地將有源區的發光耦合至金屬微納結構形成SPP仍然是集成SPP源的研究中存在的重要問題之一。

發明內容

本發明的目的在于，提供一種具有介質填充的金屬光柵-半導體結構的電注入SPP源，介質層起到波導作用，將傳播的SPP限制在波導層中傳播，提高光的輸出光的萃取效率，單向耦合效率以及單向比。

本發明的另一個目的是提供一種具有介質填充的金屬光柵-半導體結構的電注入SPP源的制作方法，采用聚焦離子束刻蝕工藝制備金屬光柵結構，采用旋涂方法制備介質層，工藝簡單，工藝兼容性高。

本發明提供一種介質填充的金屬光柵-半導體復合結構的SPP源，其結構主要包括：第一金屬層、襯底、半導體外延層、第二金屬層、介質層。其中，第二金屬層包括金屬光柵結構，介質層填充金屬光柵。

本發明的SPP源，其中介質層主要具有以下兩方面作用：第一，由于介質層的折射率介于半導體材料和空氣之間，利用折射率的漸變，可以提高輸出光的萃取效率；第二，介質層起到波導作用，可以將傳播的SPP限制在波導層中傳播，并且可通過介質層厚度的變化調節光的單向耦合效率以及單向比。

本發明的SPP源，其中半導體外延層包括有源區。優選地，所述有源區包括量子阱、量子點或PN結，或本領域常用其他可以有源結構。

本發明的SPP源，優選地，第一金屬層與襯底形成歐姆接觸。

本發明的SPP源，優選地，第二金屬層厚度大于50nm。優選地，所述第二金屬層厚度在100-200nm之間。

本發明的SPP源，可選地，金屬光柵傾斜。優選地，金屬光柵傾斜角度為20-60°。優選地，金屬光柵傾斜角度為50°。

本發明的SPP源，其中，介質層在金屬光柵之中填充，且所述介質上表面高出所述第二金屬層的上表面。

本發明的SPP源，優選地，金屬光柵下表面至介質層上表面的高度大于20nm。優選地，金屬光柵下表面至介質層上表面的高度在150nm至300nm之間。